DE69937697T2

DE69937697T2 - Stickoxidsensor auf Festelektrolytbasis mit einem Pufferraum stromaufwärts einer Pumpzelle

Info

Publication number: DE69937697T2
Application number: DE69937697T
Authority: DE
Inventors: Nobuhide Kato; Kunihiko Nakagaki
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1998-07-08
Filing date: 1999-07-07
Publication date: 2008-11-20
Anticipated expiration: 2019-07-08
Also published as: JP3701124B2; US7445700B2; US6355152B1; EP1669750A1; EP0971228A2; DE69937697D1; US6527929B2; JP2000028576A; US20020060151A1; US6770181B2; EP1669750B1; US20030136674A1; US20040231985A1; EP0971228A3

Description

Die Erfindung betrifft einen Gassensor und einen Stickoxidsensor zum Messen von Oxiden wie etwa O₂, NO, NO₂, SO₂, CO₂ und H₂O, die beispielsweise in der Atmosphärenluft sowie in dem von Fahrzeugen oder Automobilen ausgestoßenen Abgas enthalten sind, sowie von entflammbaren Gasen wie etwa CO und CnHm.
Die bisher bekannten Verfahren zum Messen von NOx in einem Messgas wie etwa einem Verbrennungsgas beinhalten eine Technik, bei der die NOx-reduzierende Befähigung von Rh zur Verwendung eines Sensors mit einer Pt-Elektrode und einer Rh-Elektrode verwendet wird, die auf einem Sauerstoffionen-leitenden Festkörperelektrolyten wie etwa Zirkonoxid ausgebildet sind, so dass eine zwischen den beiden Elektroden erzeugte elektromotorische Kraft gemessen wird.
Der vorstehend beschriebene Sensor leidet jedoch an den folgenden Problemen. Im Einzelnen ändert sich die elektromotorische Kraft stark in Abhängigkeit von der Änderung bei der Sauerstoffkonzentration, die in dem Verbrennungsgas als dem Messgas enthalten ist. Darüber hinaus ist die Änderung bei der elektromotorischen Kraft klein gegenüber der Änderung der Konzentration von NOx. Aus diesem Grund neigt der bekannte Sensor dazu, unter dem Einfluss von Rauschen zu leiden.
Zum Hervorbringen der NOx-reduzierenden Befähigung ist es zudem unvermeidlich, ein reduzierendes Gas wie etwa CO zu verwenden. Aus diesem Grund ist das Ausmaß an erzeugtem CO im Allgemeinen kleiner als das Ausmaß an erzeugtem NOx unter magerer Brennstoffverbrennungsbedingung, bei der eine große Menge NOx erzeugt wird. Daher weist der bekannte Sensor den Nachteil auf, dass die Durchführung der Messung für ein unter einer derartigen Verbrennungsbedingung erzeugtes Verbrennungsgas unmöglich ist.
Zur Lösung der vorstehend beschriebenen Probleme offenbart beispielsweise die Druckschrift JP-A-8-271476 einen NOx-Sensor mit Pumpelektroden mit verschiedenen NOx-Zersetzungsfähigkeiten, die in einem ersten inneren Raum angeordnet sind, der mit einem Raum mit Messgas kommuniziert, sowie in einem zweiten inneren Raum, der mit dem ersten inneren Raum kommuniziert, sowie ein Verfahren zum Messen der NOx-Konzentration, bei der die O₂-Konzentration unter Verwendung einer in dem ersten inneren Raum angeordneten ersten Pumpzelle eingestellt wird, und NO unter Verwendung einer in dem zweiten inneren Raum angeordneten Zersetzungspumpe zersetzt wird, so dass die NOx-Konzentration auf der Grundlage eines durch die Zersetzungspumpe fließenden Pumpstroms gemessen wird.
Ferner offenbart die Druckschrift JP-A-9-113484 ein Sensorelement mit einer in einem zweiten inneren Raum angeordneten Hilfspumpelektrode, so dass die Sauerstoffkonzentration in dem zweiten inneren Raum so gesteuert wird, dass sie selbst dann konstant ist, wenn sich die Sauerstoffkonzentration plötzlich ändert.
Die nachstehend beschriebene Tatsache zeigte sich, wenn ein Gassensor an einem Abgassystem eines Verbrennungsmotors wie etwa einem Automobilmotor angebracht wird, und der Verbrennungsmotor betrieben wird. Im Einzelnen durchläuft in normalen Fällen die Sensorausgabe normalerweise eine proportionale Änderung auf der Grundlage eines Ankerpunkts von Null gemäß der Änderung bei der Sauerstoffkonzentration, wie in 32 durch eine durchgezogene Linie „a" gezeigt ist. Unter einer spezifizierten Betriebsbedingung unterliegt jedoch die Sensorausgabe einer Aufwärtsverschiebung als Ganzes, wie durch die durchgezogene Line „b" gezeigt ist.
Gemäß 33 ist im Allgemeinen der Gesamtdruck des von dem Automobilmotor ausgestoßenen Abgases aus einem konstanten Statikdruck und einem durch das Pulsieren des Abgasdrucks erzeugten dynamischen Druck zusammengesetzt. Der Fluktuationszyklus des dynamischen Drucks ist mit dem Explosionszyklus des Motors synchronisiert. Als Folge von Untersuchungen über die Ursache der Verschiebung der Sensorausgabe zeigte sich, dass die Verschiebung auftritt, wenn das Pulsierungsausmaß (= der dynamische Druck) des Abgasdrucks im Vergleich zu dem statischen Druck groß ist.
Dies bedeutet, dass gemäß 34 das Verschiebungsausmaß der Sensorausgabe bezüglich des Verhältnisses zwischen dem dynamischen Druck und dem statischen Druck (dynamischer Druck/statischer Druck) gemessen wurde. Als Folge ergab sich, dass das Verschiebungsausmaß ungefähr Null beträgt, wenn das Verhältnis von dynamischem Druck zu statischem Druck nicht mehr als etwa 25% beträgt. Das Verschiebungsausmaß steigt jedoch proportional von dem Zustand, bei dem das Verhältnis von dynamischem Druck zu statischem Druck etwa 25% überschreitet.
Wenn der dynamische Druck erhöht wird, ist es daher unvermeidlich, eine Verschlechterung der Korrelation zwischen dem durch die Hauptpumpe im ersten Raum bewirkten Sauerstoffpumpausmaß und der Sauerstoffkonzentration im Messgas zu erleiden. Es wird befürchtet, dass die in dem ersten Raum verursachte Störung der Sauerstoffkonzentration eine Störung bezüglich der Steuerung der Sauerstoffkonzentration in dem mit dem ersten Raum kommunizierenden zweiten Raum sowie der Genauigkeit der durch die Erfassungselektrode als dem NOx-Erfassungsabschnitt bewirkten Messung hervorbringt.
Die Druckschrift EP 0 937 980 A2 offenbart einen Gassensor zum Messen einer NOx-Konzentration mit einer Hauptpumpzelle und einer Erfassungselektrode, wobei die Hauptpumpzelle eine Elektrode (eine innere Pumpelektrode und eine äußere Pumpelektrode) ohne eine Zersetzungs-/Reduktionsbefähigung für NOx oder eine geringe Zersetzungs-/Reduzierungsbefähigung für NOx beinhaltende Hauptpumpzelle beinhaltet, die so zu verwenden ist, dass eine Sauerstoffkonzentration in einer ersten Kammer auf einen vorbestimmten Wert gesteuert wird, bei dem NO im Wesentlichen nicht zersetzbar ist, und die Erfassungselektrode mit einer bestimmten Zersetzungs-/Reduktionsbefähigung für NOx oder einer hohen Zersetzungs-/Reduktionsbefähigung für NOx so zu verwenden ist, dass NOx zersetzt wird, um die NOx-Konzentration durch Messen einer während dieses Vorgangs erzeugten Sauerstoffmenge zu messen, wobei ein Pufferraum zwischen einer Gaseinlassöffnung und einer ersten Kammer bereitgestellt ist. Demzufolge ist es möglich, einen Einfluss von in einem Messgas erzeugtem Pulsieren zu vermeiden und die Messgenauigkeit auf der Erfassungselektrode zu verbessern.
Weiterhin offenbart die Druckschrift EP 1 046 906 A2 einen Gassensor. Die Summe aus einem nächstgelegenen Abstand in axialer Richtung zwischen einem äußerem Gaseinlassloch einer äußeren Schutzabdeckung und einem an einem Flansch einer Zwischenschutzabdeckung bereitgestellten Schlitz sowie einem nächstgelegen Abstand in axialer Richtung zwischen dem Schlitz der Zwischenschutzabdeckung und einem inneren Gaseinlassloch einer inneren Schutzabdeckung beträgt zumindest nicht weniger als 10 mm. Lücken zur Vermeidung der Ansammlung von Wasser aufgrund einer Grenzspannung werden in einer radialen Richtung zwischen der äußeren Schutzabdeckung und der Zwischenschutzabdeckung sowie in radialer Richtung zwischen der äußeren Schutzabdeckung und der inneren Schutzabdeckung bereitgestellt.
Darüber hinaus offenbart die Druckschrift US 4 657 659 ein elektrochemisches Element zur Erfassung eines Bestandteils in einem gasförmigen Fluid in einem externen Raum, der einen ebenen Elektrolytkörper beinhaltet, sowie eine erste und eine zweite Elektrode, die in Kontakt mit dem ebenen Festelektrolytkörper angeordnet sind und mit dem ebenen Festelektrolytkörper zur Ausbildung einer elektrochemischen Zelle kooperieren. Das elektrochemische Element umfasst einen dünnen flachen Raum, der mit dem externen Raum kommuniziert, und der einen vorbestimmten Diffusionswiderstand gegenüber den Molekülen des Bestandteils aufweist. Eine Dicke des dünnen flachen Raums, die senkrecht zur Ebene des ebenen Festelektrolytkörpers gemessen wird, ist größer als ein Einlassabschnitt davon, an dem der dünne flache Raum mit dem externen Raum kommuniziert, als an einem abliegenden Abschnitt davon, der fern von dem Einlassabschnitt liegt. Die erste Elektrode ist am abliegenden Abschnitt angeordnet.
Zudem offenbart die Druckschrift JP 08-334492 A eine Luft/Brennstoffverhältnis-Sensoreinheit mit einer plattenförmigen Pumpzelle mit einem Nadelloch, einer Sensorzelle mit einer Referenzgaskammer, einer ersten und einer zweiten Erwärmungsplatte, die zum Kontaktieren der oberen bzw. unteren Oberfläche der Pumpzelle angeordnet sind, sowie einem zwischen dem ersten Heizelement und der Sensorzelle angeordneten Abstandselement. Das Abstandselement und die erste und die zweite Heizplatte bilden einen Durchgang für ein zu erfassendes Gas aus.
Des Weiteren offenbart die Druckschrift EP 0 769 693 A1 ein Verfahren und eine Sensorvorrichtung zum Messen eines vorbestimmten Gasbestandteils in einem Messgas. Das Verfahren und die Sensorvorrichtung sind zum Messen eines vorbestimmten Messgasbestandteils auf kontinuierliche und genaue Weise mit einem guten Ansprechverhalten über eine lange Zeitdauer befähigt, ohne durch eine hohe Sauerstoffkonzentration in einem Messgas beeinflusst zu werden. Das Messgas wird in eine erste Verarbeitungszone eingeführt. Eine erste elektrochemische Pumpzelle wird zur Verringerung eines Sauerstoffpartialdrucks in ihrer Atmosphäre auf ein ausreichendes Maß zum Steuern eines Sauerstoffpartialdrucks in einer nachfolgenden zweiten Verarbeitungszone verwendet. Das Gas wird in die zweite Verarbeitungszone eingeführt. Sauerstoff wird in einer Atmosphäre unter Verwendung einer zweiten elektrochemischen Pumpzelle herausgepumpt, so dass der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre auf einen niedrigen Sauerstoffpartialdruckwert gesteuert wird, der die Messung über die Menge des Messgasbestandteils nicht wesentlich beeinflusst. Das Gas wird in eine dritte Verarbeitungszone eingeführt. Der durch Reduzieren oder Zersetzen des Messgasbestandteils erzeugte Sauerstoff wird unter Verwendung einer dritten elektrochemischen Pumpzelle herausgepumpt. Die Menge des Messgasbestandteils wird aus einem Erfassungswert eines durch die dritte elektrochemische Pumpzelle fließenden Pumpstroms bestimmt. Die Menge des Messgasbestandteils kann außerdem durch Messen einer elektromotorischen Kraft unter Verwendung einer elektrochemischen Sensorzelle anstelle der dritten elektrochemischen Pumpzelle bestimmt werden.
Die Erfindung erfolgte in Anbetracht der vorstehend beschriebenen Probleme, und ihr liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gassensor und einen Stickoxidsensor anzugeben, welche ein Vermeiden des Einflusses des Pulsierens des in dem Messgas erzeugten Abgasdrucks ermöglichen und die auf der Erfassungselektrode erhaltene Messgenauigkeit verbessern.
Erfindungsgemäß wird dies durch das erzielt, was im beigefügten unabhängigen Patentanspruch angegeben ist. Vorteilhafte Abwandlungen sind in den beigefügten abhängigen Patentansprüchen definiert.
Der Grenzstromwert Ip in der Pumpeinrichtung wird durch den nachstehenden theoretischen Ausdruck für den Grenzstrom angenähert. Ip ≈ (4F/RT) × D × (S/L) × (POe – POd)
In dem Ausdruck bezeichnet F die Faraday-Konstante (= 96500 A/s), R bezeichnet die Gaskonstante (= 82,05 cm³·atm/mol·K), T bezeichnet die absolute Temperatur (K), D bezeichnet den Diffusionskoeffizienten (cm²/s), S bezeichnet die Querschnittsfläche (cm²) der Diffusionsratenbestimmungseinrichtung, L bezeichnet die Passagenlänge (cm) der Diffusionsratenbestimmungseinrichtung, POe bezeichnet den Sauerstoffpartialdruck (atm) außerhalb der Diffusionsratenbestimmungseinrichtung, und POd bezeichnet den Sauerstoffpartialdruck (atm) innerhalb der Diffusionsratenbestimmungseinrichtung.
Die vorliegende Patentschrift definiert den Faktor zum Ausbilden der Querschnittsfläche S der Diffusionsratenbestimmungseinrichtung in dem theoretischen Grenzstromausdruck. Insbesondere ist definiert, dass der bestimmte Faktor der Dimension zum Ausbilden der Querschnittsfläche S nicht mehr als 10 μm beträgt.
Bei dieser Anordnung wird das Pulsieren (= der dynamische Druck) des Abgasdruckes durch den Wandwiderstand der Diffusionsratenbestimmungseinrichtung gedämpft. Im Einzelnen wird die Dämpfung bis zu einem Niveau bewirkt, bei dem das Verhältnis zwischen dem dynamischen Druck und dem statischen Druck (dynamischer Druck/statischer Druck) nicht mehr als 25% beträgt. Daher ist es möglich, das Verschiebungsphänomen bei der Sensorausgabe effektiv zu unterdrücken, das ansonsten durch die Fluktuation des dynamischen Drucks verursacht würde.
Außerdem wird für den nach vorstehender Beschreibung aufgebauten Gassensor bevorzugt, dass wenn die Querschnittskonfiguration der Diffusionsratenbestimmungseinrichtung mit zumindest einem lateralen Schlitz ausgebildet ist, der bestimmte Faktor eine Länge des Schlitzes in vertikaler Richtung ist.
Alternativ wird außerdem bevorzugt, dass wenn die Querschnittskonfiguration der Diffusionsratenbestimmungseinrichtung mit zumindest einem vertikalen Schlitz ausgebildet ist, der bestimmte Faktor eine Länge des Schlitzes in lateraler Richtung ist.
Für den erfindungsgemäßen Gassensor ist erforderlich, dass ein Pufferraum zwischen der Gaseinlassöffnung und der Diffusionsratenbestimmungseinrichtung bereitgestellt ist. Üblicherweise dringt der Sauerstoff plötzlich in das Sensorelement über die Gaseinlassöffnung aufgrund des Pulsierens des Abgasdrucks ein, was im externen Raum hervorgerufen wird. Bei der vorliegenden Anordnung dringt jedoch der Sauerstoff aus dem externen Raum nicht direkt in den Verarbeitungsraum ein, sondern gelangt in den stromaufwärts davon angeordneten Pufferraum. Mit anderen Worten wird der plötzlichen Änderung in der Sauerstoffkonzentration, die durch das Pulsieren des Abgasdrucks verursacht wird, durch den Pufferraum entgegengewirkt. Somit bewegt sich der Einfluss des Pulsierens des Abgasdrucks, der auf den inneren Raum ausgeübt wird, in einem nahezu vernachlässigbaren Ausmaß.
Folglich wird die Korrelation zwischen der durch die Pumpeinrichtung im Verarbeitungsraum bewirkten Sauerstoffpumpmenge und der Sauerstoffkonzentration im Messgas verbessert. Es ist möglich, die auf der Messpumpeinrichtung oder der Konzentrationserfassungseinrichtung erhaltene Messgenauigkeit zu verbessern. Gleichzeitig ist es beispielsweise möglich, den internen Raum als Sensor zum Bestimmen des Luft/Brennstoff-Verhältnisses zu verwenden.
Für den gemäß vorstehender Beschreibung aufgebauten Gassensor wird außerdem bevorzugt, dass ein Verstopfungsvorbeugungsabschnitt und der Pufferraum zwischen der Gaseinlassöffnung und dem internen Raum (Verarbeitungsraum) bereitgestellt sind; eine Vorderöffnung des Verstopfungsvorbeugungsabschnitts zur Ausbildung der Gaseinlassöffnung verwendet wird; und ein Diffusionsratenbestimmungsabschnitt zur Bereitstellung eines vorbestimmten Diffusionswiderstands gegenüber dem Messgas zwischen dem Verstopfungsvorbeugungsabschnitt und dem Pufferraum bereitgestellt ist.
Bei dieser Anordnung wird der Gassensor vor einer Verstopfung durch in dem Messgas in dem äußeren Raum erzeugte Teilchen (beispielsweise Ruß und Ölverbrennungsabfallstoffe) bewahrt, was andernfalls in der Umgebung des Einlasses des Pufferraums verursacht würde. Somit ist es möglich, den vorbestimmten Gasbestandteil genauer zu messen. Ferner ist es möglich, einen hochgenauen Zustand über eine lange Zeitdauer zu bewahren.
Außerdem wird für den gemäß vorstehender Beschreibung aufgebauten Gassensor bevorzugt, dass der in dem Messgas enthaltene Sauerstoff, der vom äußeren Raum in den inneren Raum eingeführt wird, unter Verwendung der Pumpeinrichtung zur Steuerung pumpend verarbeitet wird, so dass der Sauerstoffpartialdruck im inneren Raum (Verarbeitungsraum) einen vorbestimmten Wert aufweist, bei dem der vorbestimmte Gasbestandteil in dem Messgas nicht zersetzbar ist.
Es wird außerdem bevorzugt, dass der Gassensor ferner eine Messpumpeinrichtung zum Zersetzen des in dem Messgas enthaltenen vorbestimmten Gasbestandteils nach einer pumpenden Verarbeitung durch die Pumpeinrichtung mittels einer katalytischen Wirkung und/oder Elektrolyse, und zum pumpenden Verarbeiten von durch die Zersetzung erzeugtem Sauerstoff aufweist; wobei der in dem Messgas enthaltene vorbestimmte Gasbestandteil auf der Grundlage eines Pumpstroms gemessen wird, der durch die messende Pumpeinrichtung gemäß dem durch die messende Pumpeinrichtung bewirkten Pumpvorgang fließt.
Alternativ ist ebenfalls bevorzugt, dass der Gassensor ferner eine Sauerstoffpartialdruckerfassungseinrichtung zum Zersetzen des in dem Messgas nach einer pumpenden Verarbeitung durch die Pumpeinrichtung enthaltenen vorbestimmten Gasbestandteils mittels einer katalytischen Wirkung, und zum Erzeugen einer elektromotorischen Kraft entsprechend einer Differenz zwischen einer durch die Zersetzung erzeugten Sauerstoffmenge und einer Referenzgas enthaltenen Sauerstoffmenge umfasst; wobei der in dem Messgas enthaltene vorbestimmte Gasbestandteil auf der Grundlage der durch die Sauerstoffpartialdruckerfassungseinrichtung erfassten elektromotorischen Kraft gemessen wird.
Die vorstehenden und anderen Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung näher ersichtlich, wobei ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand eines veranschaulichenden Beispiels gezeigt ist.
1A zeigt eine Vorderansicht zur Darstellung einer Anordnung eines Gassensors gemäß einem (nicht als solches beanspruchten) ersten Ausführungsbeispiel;
1B zeigt eine Draufsicht davon;
2 zeigt eine Schnittansicht entlang einer in 1B gezeigten Linie II-II;
3A zeigt eine Vorderansicht zur Darstellung einer Anordnung bezüglich eines bei einem ersten und einem zweiten veranschaulichenden Experiment verwendeten Arbeitsbeispiels;
3B zeigt eine Draufsicht davon;
4 zeigt eine Perspektivansicht zur Darstellung der Anordnung bezüglich des bei dem ersten und bei dem zweiten veranschaulichenden Experiment verwendeten Arbeitsbeispiels, wobei insbesondere extrahierte Anordnungen des ersten und zweiten Diffusionsratenbestimmungsabschnitts dargestellt sind;
5A zeigt eine Vorderansicht zur Darstellung einer Anordnung bezüglich eines bei dem ersten und dem zweiten veranschaulichenden Experiment verwendeten Vergleichsbeispiels;
5B zeigt eine Draufsicht davon;
6 zeigt eine Perspektivansicht zur Darstellung der Anordnung bezüglich des bei dem ersten und dem zweiten veranschaulichenden Experiment verwendeten Vergleichsbeispiels, wobei insbesondere extrahierte Anordnungen des ersten und zweiten Diffusionsratenbestimmungsabschnitts dargestellt sind;
7 zeigt die Charakteristik zur Darstellung der Änderung in der Sensorausgabe bezüglich der Sauerstoffkonzentration, die erhalten wird, wenn die Messbedingung bei dem Vergleichsbeispiel verändert wird;
8 zeigt die Charakteristik zur Darstellung der Änderung bei der Sensorausgabe bezüglich der NOx-Konzentration, die erhalten wird, wenn die Messbedingung bei dem Vergleichsbeispiel geändert wird;
9 zeigt die Charakteristik zur Darstellung der Änderung bei der Sensorausgabe bezüglich der Sauerstoffkonzentration, die erhalten wird, wenn die Messbedingung bei dem Arbeitsbeispiel geändert wird;
10 zeigt die Charakteristik zur Darstellung zur Änderung bei der Sensorausgabe bezüglich der NOx-Konzentration, die erhalten wird, wenn die Messbedingung bei dem Arbeitsbeispiel geändert wird;
11A zeigt einen Kurvenverlauf zur Darstellung der Fluktuation des Abgasdrucks in der Umgebung einer Gaseinlassöffnung bei dem Vergleichsbeispiel;
11B zeigt einen Kurvenverlauf zur Darstellung der Fluktuation des Abgasdrucks in der Umgebung eines Einlasses einer ersten Kammer;
12A zeigt einen Kurvenverlauf zur Darstellung der Fluktuation des Abgasdrucks in der Umgebung einer Gaseinlassöffnung bei dem Arbeitsbeispiel;
12B zeigt einen Kurvenverlauf zur Darstellung der Fluktuation des Abgasdrucks in der Umgebung eines Einlasses einer ersten Kammer;
13A zeigt eine Vorderansicht zur Darstellung einer Anordnung eines Gassensors gemäß einem (nicht beanspruchten) ersten abgewandelten Ausführungsbeispiel;
13B zeigt eine Vorderansicht davon;
14 zeigt eine Schnittansicht entlang einer in 13B gezeigten Linie XIV-XIV;
15A zeigt eine Vorderansicht zur Darstellung einer Anordnung eines Gassensors gemäß einem (nicht beanspruchten) zweiten abgewandelten Ausführungsbeispiel;
15B zeigt eine Vorderansicht davon;
16 zeigt eine Schnittansicht entlang einer in 15B gezeigten Linie XVI-XVI;
17A zeigt eine Vorderansicht zur Darstellung einer Anordnung eines Gassensors gemäß einem (nicht beanspruchten) dritten abgewandelten Ausführungsbeispiel;
17B zeigt eine Vorderansicht davon;
18 zeigt eine Schnittansicht entlang einer in 17B gezeigten Linie XVIII-XVIII;
19A zeigt eine Vorderansicht zur Darstellung einer Anordnung eines Gassensors gemäß einem vierten abgewandelten Ausführungsbeispiel, welches das erste beanspruchte Ausführungsbeispiel bildet;
19B zeigt eine Vorderansicht davon;
20 zeigt eine Schnittansicht entlang einer in 19B gezeigten Linie XX-XX;
21A zeigt eine Vorderansicht zur Darstellung einer Anordnung eines Gassensors gemäß einem (nicht beanspruchten) fünften abgewandelten Ausführungsbeispiel;
21B zeigt eine Vorderansicht davon;
22 zeigt eine Schnittansicht entlang einer in 21B gezeigten Linie XXII-XXII;
23A zeigt eine Vorderansicht zur Darstellung einer Anordnung eines Gassensors gemäß einem (nicht beanspruchten) sechsten abgewandelten Ausführungsbeispiel;
23B zeigt eine Vorderansicht davon;
24 zeigt eine Schnittansicht entlang einer in 23B gezeigten Linie XXIV-XXIV;
25A zeigt eine Vorderansicht zur Darstellung einer Anordnung eines Gassensors gemäß einem (nicht beanspruchten) siebten abgewandelten Ausführungsbeispiel;
25B zeigt eine Vorderansicht davon;
26 zeigt eine Schnittansicht entlang einer in 25B gezeigten Linie XXXVI-XXXVI;
27A zeigt eine Vorderansicht zur Darstellung einer Anordnung eines Gassensors gemäß einem (nicht beanspruchten) achten abgewandelten Ausführungsbeispiel;
27B zeigt eine Vorderansicht davon;
28 zeigt eine Schnittansicht entlang einer in 27B gezeigten Linie XXVIII-XXVIII;
29A zeigt eine Vorderansicht zur Darstellung einer Anordnung eines Gassensors gemäß einem neunten abgewandelten Ausführungsbeispiel, welches das zweite beanspruchte Ausführungsbeispiel bildet;
29B zeigt eine Vorderansicht davon;
30 zeigt eine Schnittansicht entlang einer in 29B gezeigten Linie XXX-XXX;
31 zeigt eine Schnittansicht zur Darstellung einer Anordnung eines Gassensors gemäß einem (nicht beanspruchten) zweiten Ausführungsbeispiel;
32 zeigt die Charakteristik zur Darstellung der Änderung bei der Sensorausgabe bezüglich der Sauerstoffkonzentration bei dem bekannten Gassensor;
33 stellt den Gesamtdruck des von dem Automobilmotor ausgestoßenen Abgases dar; und
34 zeigt die Charakteristik zur Darstellung des Verschiebungsausmaßes bei der Sensorausgabe bezüglich des Verhältnisses zwischen dem dynamischen Druck und dem statischen Druck (dynamischer Druck/statischer Druck).
Nachstehend erfolgt eine Beschreibung unter Bezugnahme auf die 1A bis 31 für mehrere veranschaulichende Ausführungsbeispiele, von denen einige nicht beansprucht sind, wobei bei einigen der erfindungsgemäße Gassensor auf Gassensoren zum Messen von Oxiden wie etwa O₂, NO, NO₂, SO₂, CO₂ und H₂O angewendet wird, die beispielsweise in der Atmosphärenluft sowie in einem von Fahrzeugen oder Automobilen ausgestoßenem Abgas enthalten sind, sowie von entflammbaren Gasen wie etwa CO und CnHm.
Gemäß den 1A, 1B und 2 beinhaltet ein Gassensor 10A gemäß dem (als solches nicht beanspruchten) ersten Ausführungsbeispiel ein Sensorelement 14, das mit einem Substrat mit beispielsweise sechs gestapelten Festelektrolytschichten 12a bis 12f versehen ist, die aus Keramiken basierend auf der Verwendung von Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyten wie etwa ZrO₂ zusammengesetzt sind.
Bei dem Sensorelement 14 sind eine erste und zweite Schicht von unten als erste bzw. zweite Substratschicht 12a, 12b bezeichnet. Eine dritte und fünfte Schicht von unten sind als erste bzw. zweite Abstandsschicht 12c, 12e bezeichnet. Eine vierte und sechste Schicht von unten sind als erste bzw. zweite Festelektrolytschicht 12d, 12f bezeichnet.
Ein Raum 16 (Referenzgaseinlassraum 16), in den ein Referenzgas wie etwa atmosphärische Luft eingeführt wird, die als Referenz zum Messen von Oxiden zu verwenden ist, wird zwischen der zweiten Substratschicht 12b und der ersten Festelektrolytschicht 12d ausgebildet, wobei der Raum 16 durch eine untere Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 12d, eine obere Oberfläche der zweiten Substratschicht 12b und Seitenoberflächen der ersten Abstandsschicht 12c abgeteilt ist.
Eine erste Kammer 18 zum Einstellen des Sauerstoffpartialdrucks in einem Messgas wird zwischen einer unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 12f und einer oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 12d ausgebildet und abgeteilt. Eine zweite Kammer 20 zum Feineinstellen des Sauerstoffpartialdrucks in dem Messgas und zum Messen von Oxiden wie beispielsweise Stickoxiden (NOx) in dem Messgas ist zwischen der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 12f und der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 12d ausgebildet und abgeteilt.
Eine Gaseinlassöffnung 22, die am vorderen Ende des Sensorelements 14 ausgebildet ist, kommuniziert mit der ersten Kammer 18 über einen Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 26. Die erste Kammer 18 kommuniziert mit der zweiten Kammer 20 über einen zweiten Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 28.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel stellt sowohl der erste als auch der zweite Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 26, 28 einen vorbestimmtem Diffusionswiderstand gegenüber dem in die erste Kammer 18 bzw. die zweite Kammer 20 einzuführenden Messgas bereit. Gemäß 1A ist der erste Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 26 durch zwei sich in lateraler Richtung erstreckenden Schlitze 30, 32 ausgebildet. Im Einzelnen beinhaltet der erste Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 26 den Schlitz 30 mit einer an einem vorderen Endabschnitt der zweiten Abstandsschicht 12e ausgebildeten lateral erstreckten Öffnung, um Kontakt mit der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 12f auszubilden, wobei die Öffnung so ausgebildet ist, dass sie sich mit einer identischen Öffnungsbreite bis zu der ersten Kammer 18 hin erstreckt. Der erste Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 26 beinhaltet außerdem den Schlitz 32 mit einer lateral erstreckten Öffnung, die an einem vorderen Endabschnitt der zweiten Abstandsschicht 12e ausgebildet ist, um einen Kontakt mit der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 12d auszubilden, wobei die Öffnung so ausgebildet ist, dass sie sich mit einer identischen Öffnungsbreite bis hin zu der ersten Kammer 18 erstreckt.
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel weisen die jeweiligen Schlitze 30, 32 ungefähr dieselbe Querschnittskonfiguration auf. Gemäß 1A beträgt die Länge ta in vertikaler Richtung nicht mehr als 10 μm, und die Länge tb in lateraler Richtung beträgt etwa 2 mm.
Der zweite Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 28 ist ebenfalls mit zwei lateral erstreckten Schlitzen 34, 36 ausgebildet, die jeweils eine Querschnittskonfiguration ähnlich zu jenem des ersten Diffusionsratenbestimmungsabschnitts 26 aufweisen. Es ist möglich, dass ein aus ZrO₂ oder dergleichen zusammengesetztes poröses Element in jeden der Schlitze 34, 36 des zweiten Diffusionsratenbestimmungsabschnitts 28 angeordnet und eingefügt ist, so dass der Diffusionswiderstand des zweiten Diffusionsratenbestimmungsabschnitts 28 größer als der Diffusionswiderstand des ersten Diffusionsratenbestimmungsabschnitts 26 ist. Vorzugsweise ist der Diffusionswiderstand des zweiten Diffusionsratenbestimmungsabschnitts 28 größer als der des ersten Diffusionsratenbestimmungsabschnitts 26. Es tritt jedoch kein Problem auf, wenn der erstgenannte kleiner als der letztgenannte ist.
Die Atmosphäre in der ersten Kammer 18 wird in die zweite Kammer 20 unter dem vorbestimmten Diffusionswiderstand über den zweiten Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 28 eingeführt.
Eine innere Pumpelektrode 40 mit einer im Wesentlichen rechteckigen ebenen Konfiguration, die aus einer porösen Cermet-Elektrode (beispielsweise eine Cermet-Elektrode aus Pt·ZrO₂, die 1% Au enthält) zusammengesetzt ist, ist auf dem gesamten unteren Oberflächenabschnitt zum Ausbilden der ersten Kammer 18 der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 12f ausgebildet. Eine äußere Pumpelektrode 42 ist auf einem zu der inneren Pumpelektrode 40 entsprechenden Abschnitt der oberen Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 12f ausgebildet. Eine elektrochemische Pumpzelle, d. h. eine Hauptpumpzelle 44 ist durch die innere Pumpelektrode 40, die äußere Pumpelektrode 42 und die zwischen die beiden Elektroden 40, 42 zwischengelagerte zweite Festelektrolytschicht 12f aufgebaut.
Eine gewünschte Steuerspannung (Pumpspannung) Vp1 wird zwischen der inneren Pumpelektrode 40 und der äußeren Pumpelektrode 42 der Hauptpumpzelle 44 durch die Hilfe einer externen variablen Energieversorgungsquelle 46 angelegt, um den Fluss eines Pumpstroms Ip1 in einer positiven oder negativen Richtung zwischen der äußeren Pumpelektrode 42 und der inneren Pumpelektrode 40 zu ermöglichen. Somit kann der Sauerstoff in der Atmosphäre in der ersten Kammer 18 in den äußeren Raum herausgepumpt werden, oder der Sauerstoff im äußeren Raum kann in die erste Kammer 18 gepumpt werden.
Eine Referenzelektrode 48 ist auf einem dem Referenzgaseinlassraum 16 ausgesetzten unteren Oberflächenabschnitt der unteren Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 12d ausgebildet. Eine elektrochemische Sensorzelle, d. h. eine steuernde Sauerstoffpartialdruckerfassungszelle 50 ist durch die innere Pumpelektrode 40, die Referenzelektrode 48, die zweite Festelektrolytschicht 12f, die zweite Abstandsschicht 12e und die erste Festelektrolytschicht 12d aufgebaut.
Die steuernde Sauerstoffpartialdruckerfassungszelle 50 wird wie folgt betrieben. Genauer wird eine elektromotorische Kraft V1 zwischen der inneren Pumpelektrode 40 und der Referenzelektrode 48 auf der Grundlage einer Differenz bei der Sauerstoffkonzentration zwischen der Atmosphäre in der ersten Kammer 18 und dem Referenzgas (der Luftatmosphäre) in dem Referenzgaseinlassraum 16 erzeugt. Der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre in der ersten Kammer 18 kann unter Verwendung der elektromotorischen Kraft V1 erfasst werden.
Der erfasste Wert des Sauerstoffpartialdrucks wird zur Regelung der variablen Energieversorgungsquelle 46 verwendet. Im Einzelnen wird der durch die Hauptpumpzelle 44 bewirkte Pumpbetrieb mit Hilfe eines Regelungssystems 52 für die Hauptpumpe gesteuert, so dass der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre der ersten Kammer 18 einen vorbestimmten Wert aufweist, der zum Steuern des Sauerstoffpartialdrucks in der zweiten Kammer 20 beim nächsten Schritt ausreichend niedrig ist.
Das Regelungssystem 52 umfasst eine zum Regeln des Pumpstroms Vp1 zwischen der äußeren Pumpelektrode 42 und der inneren Pumpelektrode 40 aufgebaute Schaltung, so dass eine Differenz (Erfassungsspannung V1) zwischen einem elektrischen Potenzial der inneren Pumpelektrode 40 und einem elektrischen Potenzial der Referenzelektrode 48 auf einem vorbestimmten Spannungspegel liegt. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel liegt die innere Pumpelektrode 40 auf Masse.
Daher pumpt die Hauptpumpzelle 44 Sauerstoff in einer dem Pegel der Pumpspannung Vp1 entsprechenden Menge aus dem in die erste Kammer 18 eingeführten Messgas heraus oder herein. Die Sauerstoffkonzentration in der ersten Kammer 18 unterliegt einer Regelung zur Bereitstellung eines vorbestimmten Niveaus durch Wiederholen der vorstehend beschriebenen Reihe von Vorgängen. In diesem Zustand gibt der Pumpstrom Ip1, der zwischen der äußeren Pumpelektrode 42 und der inneren Pumpelektrode 40 fließt, die Differenz zwischen der Sauerstoffkonzentration im Messgas und der gesteuerten Sauerstoffkonzentration in der ersten Kammer 18 an. Der Pumpstrom Ip1 kann zum Messen der Sauerstoffkonzentration im Messgas verwendet werden.
Sowohl die innere Pumpelektrode 40 als auch die äußere Pumpelektrode 42 ist aus einer porösen Cermet-Elektrode zusammengesetzt, die aus einem Metall wie etwa Pt und einer Keramik wie etwa ZrO₂ zusammengesetzt ist. Für die in der ersten Kammer 18 zur Kontaktausbildung mit dem Messgas angeordnete innere Pumpelektrode 40 ist es notwendig, ein Material zu verwenden, das eine schwache reduzierende Eigenschaft oder gar keine reduzierende Eigenschaft bezüglich des NO-Bestandteils im Messgas aufweist. Vorzugsweise ist die innere Pumpelektrode 40 beispielsweise aus einem Bestandteil mit Perovskitstruktur wie etwa La₃CuO₄, einem Cermet mit einer Keramik und einem Metall wie etwa Gold mit einer geringen katalytischen Aktivität oder einem Cermet mit einer Keramik, einem Metall der Platingruppe und einem Metall wie etwa Gold mit geringer katalytischer Aktivität zusammengesetzt. Wenn eine aus Gold und einem Metall der Platingruppe zusammengesetzte Legierung als Elektrodenmaterial verwendet wird, wird bevorzugt Gold in einer Menge von 0,03 bis 35% des Volumens des gesamten Metallbestandteils hinzugefügt.
Bei dem Gassensor 10A gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel wird eine Erfassungselektrode 60 mit einer im Wesentlichen rechteckigen ebenen Konfiguration, die aus einer porösen Cermet-Elektrode zusammengesetzt ist, an einem Abschnitt separat von dem zweiten Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 28 auf einem oberen Oberflächenabschnitt zum Ausbilden der zweiten Kammer 20 der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 12d ausgebildet. Eine Aluminiumoxidschicht zum Aufbauen eines dritten Diffusionsratenbestimmungsabschnitts 62 wird so ausgebildet, dass die Erfassungselektrode 60 damit bedeckt ist. Eine elektrochemische Pumpzelle, d. h. eine Messpumpzelle 64 ist durch die Erfassungselektrode 60, die Referenzelektrode 48 und die erste Festelektrolytschicht 12d aufgebaut.
Die Erfassungselektrode 60 ist aus einem porösen Cermet mit Zirkonia als Keramik und einem zum Reduzieren von NOx als dem Messgasbestandteil befähigten Metall zusammengesetzt. Demzufolge arbeitet die Erfassungselektrode 60 als ein NOx-reduzierender Katalysator zum Reduzieren von in der Atmosphäre der zweiten Kammer 20 existierendem NOx. Ferner kann der Sauerstoff in der Atmosphäre der zweiten Kammer 20 in den Referenzgaseinlassraum 16 herausgepumpt werden, indem eine Konstantspannung Vp2 zwischen der Erfassungselektrode 60 und der Referenzelektrode 48 mit Hilfe einer Gleitstromenergieversorgungsquelle 66 angelegt wird. Der Pumpstrom Ip2, der gemäß dem durch die Messpumpzelle 64 durchgeführten Pumpbetrieb fließen kann, wird durch ein Amperemeter 68 erfasst.
Die Konstantspannungsenergieversorgungsquelle 66 (DC) kann eine Spannung in einer Größenordnung anlegen, um einen begrenzenden Strom für den Pumpvorgang für den während der Zersetzung in der Messpumpzelle 64 erzeugten Sauerstoff unter dem Einlass von NOx bereit zu stellen, der durch den dritten Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 62 beschränkt ist.
Andererseits ist eine Hilfspumpelektrode 70 mit einer im Wesentlichen rechteckigen ebenen Konfiguration, die aus einer porösen Cermet-Elektrode (beispielsweise einer Cermet-Elektrode aus 1% Gold enthaltendem Pt·ZrO₂) zusammengesetzt ist, auf dem gesamten unteren Oberflächenabschnitt zum Ausbilden der zweiten Kammer 20 der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 12f ausgebildet. Eine elektrochemische Hilfspumpzelle, d. h. eine Hilfspumpzelle 72, ist durch die Hilfspumpelektrode 70, die zweite Festelektrolytschicht 12f, die zweite Abstandsschicht 12e, die erste Festelektrolytschicht 12d und die Referenzelektrode 48 aufgebaut.
Die Hilfspumpelektrode 70 basiert auf der Verwendung eines Materials mit einer schwachen reduzierenden Eigenschaft oder keiner reduzierenden Eigenschaft bezüglich des in dem Messgas enthaltenen NO-Bestandteils auf dieselbe Weise wie bei der inneren Pumpelektrode 40 der Hauptpumpzelle 44. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird bevorzugt, dass die Hilfspumpelektrode 70 beispielsweise aus einer Verbindung mit Perovskitstruktur wie etwa La₃CuO₄, einem Cermet mit einer Keramik und einem Metall mit einer geringen katalytischen Aktivität wie etwa Gold oder einem Cermet mit einer Keramik, einem Metall der Platingruppe und einem Metall mit einer geringen katalytischen Aktivität wie etwa Gold zusammengesetzt. Wenn eine Legierung mit Gold und einem Metall der Platingruppe als Elektrodenmaterial verwendet wird, wird zudem bevorzugt, Gold in einer Menge von 0,03 bis 35% des Volumens der Metallbestandteile hinzuzufügen.
Eine gewünschte Konstantspannung Vp3 wird zwischen der Referenzelektrode 48 und der Hilfspumpelektrode 70 der Hilfspumpzelle 72 mit Hilfe der externen Gleichspannungsenergieversorgungsquelle 74 angelegt. Somit kann der Sauerstoff in der Atmosphäre der zweiten Kammer 20 in den Referenzgaseinlassraum 16 herausgepumpt werden.
Demzufolge kann der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre der zweiten Kammer 20 einen geringen Wert des Sauerstoffpartialdrucks aufweisen, bei dem die Messung der Menge des Zielbestandteils nicht wesentlich beeinflusst wird, unter der Bedingung, dass der Messgasbestanteil (NOx) nicht wesentlich reduziert oder zersetzt wird. Aufgrund der Betriebsweise der Hauptpumpzelle 44 für die erste Kammer 18 wird bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Änderung bei der in die zweite Kammer 20 eingeführten Sauerstoffmenge im Vergleich zur Änderung bei dem Messgas stark reduziert. Demzufolge wird der Sauerstoffpartialdruck in der zweiten Kammer 20 genau auf einen konstanten Wert gesteuert.
Daher wird bei dem nach vorstehender Beschreibung aufgebauten Gassensor 10A gemäß dem ersten Ausführungsbeispiels das Messgas, für das der Sauerstoffpartialdruck in der zweiten Kammer 20 gesteuert wurde, in die Erfassungselektrode 60 eingeführt.
Gemäß 2 umfasst der Gassensor 10A gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ferner ein Heizelement 80 zur Erzeugung von Wärme gemäß einer elektrischen Energiezufuhr von außen. Das Heizelement 80 ist in einer Form eingebettet, bei der es zwischen der ersten und zweiten Substratschicht 12a, 12b vertikal zwischengelagert ist. Das Heizelement 80 ist zur Erhöhung der Leitfähigkeit für Sauerstoffionen bereitgestellt. Eine aus Aluminiumoxid oder dergleichen zusammengesetzte isolierende Schicht 82 ist zur Bedeckung von oberen und unteren Oberflächen des Heizelementes 80 ausgebildet, so dass das Heizelement 80 vor der ersten und der zweiten Substratschicht 12a, 12b elektrisch isoliert ist.
Das Heizelement 80 ist über dem gesamten von der ersten Kammer 18 bis zur zweiten Kammer 20 reichenden Abschnitt angeordnet. Demzufolge wird sowohl die erste Kammer 18 als auch die zweite Kammer 20 auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt. Gleichzeitig wird auch sowohl die Hauptpumpzelle 44, die steuernde Sauerstoffpartialdruckerfassungszelle 50 als auch die Messpumpzelle 64 ebenfalls auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt, und bei dieser Temperatur gehalten.
Nachstehend ist die Betriebsweise des Gassensors 10A gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben. Zunächst wird das vordere Ende des Gassensors 10A im äußeren Raum angeordnet. Demzufolge wird das Messgas in die erste Kammer 18 unter dem vorbestimmten Diffusionswiderstand über den ersten Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 28 (die Schlitze 30, 32) eingeführt. Das Messgas, das in die erste Kammer 18 eingeführt wurde, wird dem Pumpvorgang für Sauerstoff unterzogen, der durch Anlegen der vorbestimmten Pumpspannung Vp1 zwischen der äußeren Pumpelektrode 42 und der inneren Pumpelektrode 40 verursacht wird, welche die Hauptpumpzelle 44 aufbauen. Der Partialdruck von Sauerstoff wird auf einen vorbestimmten Wert von beispielsweise 10^–7 atm gesteuert. Die Steuerung wird mit Hilfe des Regelungssystems 52 durchgeführt.
Der erste Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 26 dient zur Begrenzung der Diffusionsmenge und des Einlasses von Sauerstofffestgas in den Messraum (erste Kammer 18), wenn die Pumpspannung Vp1 an die Hauptpumpzelle 44 angelegt wird, so dass der durch die Hauptpumpzelle 44 fließende Strom unterdrückt wird.
In der ersten Kammer 18 wird ein Zustand für den Sauerstoffpartialdruck aufgebaut, bei dem das NOx in der Atmosphäre in einer Umgebung, in der sie durch das äußere Messgas und durch das Heizelement 80 erwärmt wird, durch die innere Pumpelektrode 40 nicht reduziert wird. Es wird beispielsweise ein Zustand des Sauerstoffpartialdrucks ausgebildet, bei dem die Reaktion NO → 1/2N₂ + 1/2O₂ aus nachstehendem Grund nicht auftritt. Falls nämlich NOx in dem Messgas (der Atmosphäre) in der ersten Kammer 18 reduziert wird, ist es unmöglich, NOx in der stromabwärts gelegenen zweiten Kammer 20 genau zu messen. In diesem Kontext ist es notwendig, einen Zustand in der ersten Kammer 18 aufzubauen, bei dem NOx nicht durch den Bestandteil reduziert wird, der bei der Reduktion von NOx partizipiert (vorliegend der Metallbestandteil der inneren Pumpelektrode 40). Im Einzelnen wird gemäß vorstehender Beschreibung ein derartiger Zustand erzielt, indem für die innere Pumpelektrode 40 ein Material mit einer geringen Eigenschaft zur Reduktion von NOx verwendet wird, beispielsweise eine Legierung aus Gold und Platin.
Das Gas in der ersten Kammer 18 wird in die zweite Kammer 20 unter dem vorbestimmten Diffusionswiderstand über den zweiten Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 28 eingeführt. Das Gas, das in die zweite Kammer 20 eingeführt wurde, wird einem Pumpvorgang für Sauerstoff unterzogen, der durch Anlegen der Spannung Vp3 zwischen der Referenzelektrode 48 und der Hilfspumpelektrode 70 verursacht wird, welche die Hilfspumpzelle 72 zur Ausbildung einer Feineinstellung bilden, so dass der Sauerstoffpartialdruck einen konstanten und niedrigen Wert annimmt.
Der zweite Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 28 dient zur Begrenzung der Diffusionsmenge und des Einlasses von Sauerstoff im Messgas in den Messraum (zweite Kammer 20), wenn die Spannung Vp3 an die Hilfspumpzelle 72 angelegt wird, so dass der durch die Hilfspumpzelle 72 fließende Pumpstrom Ip3 auf dieselbe Weise unterdrückt wird, wie es durch den ersten Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 26 durchgeführt wird.
Das Messgas, das bezüglich des Sauerstoffpartialdrucks in der zweiten Kammer 20 gemäß vorstehender Beschreibung gesteuert wurde, wird in die Erfassungselektrode 60 unter dem vorbestimmten Diffusionswiderstand über den dritten Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 62 eingeführt.
Wenn beabsichtigt ist, den Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre der ersten Kammer 18 auf einen niedrigen Wert des Sauerstoffpartialdrucks zu steuern, der die Messung von NOx im Wesentlichen nicht beeinflusst, indem die Hauptpumpzelle 44 betrieben wird, mit anderen Worten, wenn die Pumpspannung Vp1 der variablen Energieversorgungsquelle 46 mit Hilfe des Regelungssystems 52 so eingestellt wird, dass die durch die steuernde Sauerstoffpartialdruckerfassungszelle 50 erfasste Spannung V1 konstant ist, dann ändern sich die jeweiligen Sauerstoffpartialdrücke in der Atmosphäre der zweiten Kammer 20 und in der Atmosphäre in der Umgebung der Erfassungselektrode 60 in gewöhnlichen Fällen nur leicht, falls die Sauerstoffkonzentration in dem Messgas sich stark ändert, beispielsweise in einem Bereich von 0 bis 20%. Dieses Phänomen wird möglicherweise aus dem folgenden Grund verursacht. Wenn nämlich die Sauerstoffkonzentration in dem Messgas ansteigt, tritt die Verteilung der Sauerstoffkonzentration in Breitenrichtung und in Dickenrichtung in der ersten Kammer 18 auf. Die Verteilung der Sauerstoffkonzentration ändert sich in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration im Messgas.
Im Falle des Gassensors 10A gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel wird jedoch die Hilfspumpzelle 72 für die zweite Kammer 20 bereitgestellt, so dass der Sauerstoffpartialdruck in deren inneren Atmosphäre immer einen konstant niedrigen Wert annimmt. Selbst wenn sich der Sauerstoffpartialdruck in der von der ersten Kammer 18 in die zweite Kammer 20 eingeführten Atmosphäre in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration im Messgas ändert, kann demzufolge der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre der zweiten Kammer 20 stets mit einem konstant niedrigen Wert aufgrund des durch die Hilfspumpzelle 72 durchgeführten Pumpvorgangs ausgebildet werden. Folglich kann der Sauerstoffpartialdruck auf einen niedrigen Wert gesteuert werden, bei dem die Messung von NOx nicht wesentlich beeinflusst wird.
Das NOx in dem in die Erfassungselektrode 60 eingeführten Messgas wird um die Erfassungselektrode 60 reduziert oder zersetzt. Somit wird beispielsweise eine Reaktion NO → 1/2N₂ + 1/2O₂ ermöglicht. Bei diesem Vorgang wird eine vorbestimmte Spannung Vp2, beispielsweise 430 mV (700°C) zwischen der Erfassungselektrode 60 und der Referenzelektrode 48, welche die Messpumpzelle 64 aufbauen, in eine Richtung angelegt, um den Sauerstoff von der zweiten Kammer 20 in den Referenzgaseinlassraum 16 herauszupumpen.
Daher weist der durch die Messpumpzelle 64 fließende Pumpstrom Ip2 einen Wert auf, der proportional zu einer Summe der Sauerstoffkonzentration in der in die zweite Kammer 20 eingeführten Atmosphäre ist, d. h. der Sauerstoffkonzentration in der zweiten Kammer 20 und der durch Reduktion oder Zersetzung von NOx mit Hilfe der Erfassungselektrode 60 erzeugten Sauerstoffkonzentration.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre in der zweiten Kammer 20 mittels der Hilfspumpzelle 72 auf einen konstanten Wert gesteuert. Demzufolge ist der durch die Messpumpzelle 64 fließende Pumpstrom Ip2 proportional zu der NOx-Konzentration. Die NOx-Konzentration entspricht der durch den dritten Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 62 begrenzten Diffusionsmenge von NOx. Selbst wenn die Sauerstoffkonzentration in dem Messgas sich stark ändert, ist es daher möglich, die NOx-Konzentration auf der Grundlage der Verwendung der Messpumpzelle 64 mit Hilfe des Amperemeters 68 genau zu messen.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Tatsache repräsentiert nahezu der gesamte durch Betreiben der Messpumpzelle 64 erhaltene Pumpstromwert Ip2 die durch Reduktion oder Zersetzung von NOx hervorgebrachte Menge. Folglich hängt das erhaltene Ergebnis nicht von der Sauerstoffkonzentration im Messgas ab.
Im Übrigen steigt in gewöhnlichen Fällen das Verschiebungsausmaß proportional von der Stufe, bei der das Verhältnis zwischen dem dynamischen Druck und dem statischen Druck (dynamischer Druck/statischer Druck) etwa 25% überschreitet (vergleiche 34). Bei dem Gassensor 10A gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel beträgt jedoch die Länge ta in vertikaler Richtung, welches der bestimmte Faktor zur Ausbildung der Querschnittskonfiguration des ersten Diffusionsratenbestimmungsabschnitts 26 (Schlitze 30, 32) ist, nicht mehr als 10 μm.
Der begrenzende Stromwert Ip1 in der Hauptpumpzelle 44 wird durch den nachfolgend angeführten theoretischen Ausdruck für den begrenzenden Strom angenähert. Ip1 ≈ (4F/RT) × D × (S/L) × (POe – POd)
In diesem Ausdruck bezeichnet F die Faraday Konstante (= 96500 A/s), R bezeichnet die Gaskonstante (= 82,05 cm³·atm/mol·K), T bezeichnet die Absoluttemperatur (K), D bezeichnet den Diffusionskoeffizienten (cm²/s), S bezeichnet die Querschnittsfläche (cm²) des ersten Diffusionsratenbestimmungsabschnitts 26 (Schlitz 30 oder 32), L bezeichnet die Passagenlänge (cm) des ersten Diffusionsratenbestimmungsabschnitts 26 (Schlitz 30 oder 32), POe bezeichnet den Partialdruck von Sauerstoff (atm) im äußeren Raum und POd bezeichnet den Partialdruck von Sauerstoff (atm) in der ersten Kammer 18.
Bei dem Gassensor 10A gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist der Ausbildungsfaktor für die Querschnittsfläche S des ersten Diffusionsratenbestimmungsabschnitts 26 (Schlitz 30 oder 32) in dem theoretischen Ausdruck für den begrenzenden Strom definiert. Insbesondere ist definiert, dass der bestimmte Faktor der Dimension zur Ausbildung der Querschnittsfläche S, d. h. bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Länge in vertikaler Richtung, nicht mehr als 10 μm beträgt.
Demzufolge wird das Pulsieren (= dynamischer Druck) des Abgasdrucks durch den Wandwiderstand des ersten Diffusionsratenbestimmungsabschnitts gedämpft. Im Einzelnen wird die Dämpfung bis zu dem Niveau bewirkt, bei dem das Verhältnis zwischen dem dynamischen Druck und dem statischen Druck (dynamischer Druck/statischer Druck) nicht mehr als 25% beträgt. Daher ist es möglich, das Verschiebungsphänomen der Sensorausgabe (der Pumpstromwert Ip2 bezüglich der Messpumpzelle oder der Wert des Pumpstroms Ip1, der durch die Hauptstromzelle fließt) effektiv zu unterdrücken, was andernfalls durch die Fluktuation des dynamischen Drucks verursacht würde.
Zwei veranschaulichende Experimente (die nachstehend einfach als „erstes und zweites veranschaulichendes Experiment" in Bezug genommen sind) sind nachstehend beschrieben. Bei dem ersten veranschaulichenden Experiment erfolgt die Messung für die Art der Änderung der Sensorausgabe, die erhalten wird, wenn die Sauerstoffkonzentration im Messgas bezüglich eines Arbeitsbeispiels und eines Vergleichsbeispiels geändert wurde. Bei dem zweiten veranschaulichenden Experiment erfolgte die Messung für die Art der Änderung der Sensorausgabe, die erhalten wurde, wenn die NOx-Konzentration im Messgas verändert wurde.
Die nachstehend beschriebene Messbedingung wurde angewendet. Genauer wurde ein Dieselmotor mit 2,5 l als Motor verwendet, die Umdrehungszahl betrug 1000 bis 4000 U/min, und die Motorlast lag bei 5 bis 20 kgm. Die Umdrehungszahl, die Motorlast und der AGR-Öffnungsgrad wurden geeignet verändert, um die Fluktuation der Sensorausgabe zu messen, welche ebenso unter den jeweiligen Bedingungen erhalten wurde.
Das Arbeitsbeispiel veranschaulicht den Fall, bei dem der erste Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 26 durch zwei sich oben und unten lateral erstreckende Schlitze 30, 32 (Länge in der lateralen Richtung: 2 mm × Länge in der vertikalen Richtung: nicht mehr als 10 μm) gemäß den 3A, 3B und 4 auf dieselbe Weise wie bei dem Gassensor 10A gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel aufgebaut wurde. Das Vergleichsbeispiel veranschaulicht den Fall, bei dem der erste Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 26 durch einen einzelnen Schlitz 100 (Länge in lateraler Richtung: 0,2 mm × Länge in vertikaler Richtung: 0,2 mm) gemäß den 5A, 5B und 6 bezüglich des Gassensors 10A gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel aufgebaut war.
Die bei dem ersten und dem zweiten veranschaulichenden Experiment erhaltenen Experimentalergebnisse sind in den 7 und 8 (Vergleichsbeispiel) und in den 9 und 10 (Arbeitsbeispiel) gezeigt. Es versteht sich, dass bei dem in den 7 und 8 gezeigten Vergleichsbeispiel die Sensorausgabe durch Ändern der Messbedingung fluktuiert, und die Fluktuation der Sensorausgabe besonders auffällig ist, wenn die Motorlast hoch ist.
Das vorstehend beschriebene Ergebnis wird möglicherweise aus dem nachfolgenden Grund erhalten. Gemäß den in den 11A und 11B dargestellten Kurvenverläufen ist nämlich die Fluktuation des Abgasdrucks in der Umgebung der Gaseinlassöffnung ungefähr dieselbe wie die Fluktuation des Abgasdrucks in der Umgebung des Einlasses der ersten Kammer 18, und die Fluktuation des Abgasdrucks, die mit der Änderung bei den Messbedingungen verbunden ist, beeinflusst unmittelbar die Sensorausgabe.
Andererseits fluktuiert bei dem Arbeitsbeispiel die Sensorausgabe nicht, wie es in den 9 und 10 gezeigt ist, selbst wenn sich die Messbedingung ändert. Es ist möglich, die Sensorausgabe in Abhängigkeit von der Änderung bei der Sauerstoffkonzentration und der NOx-Konzentration mit einem hohen Genauigkeitsgrad zu erhalten. Dies geschieht möglicherweise aus dem folgenden Grund. Gemäß den in den 12A und 12B dargestellten Kurvenverläufen wird nämlich die Fluktuation der Abgasdrucksumgebung der Gaseinlassöffnung durch den Wandwiderstand des ersten Diffusionsratenbestimmungsabschnitts 26 gedämpft. Daher ist die Fluktuation des Abgasdrucks in der Umgebung des Einlasses der ersten Kammer 18 kleiner als die Fluktuation des Abgasdrucks in der Umgebung der Gaseinlassöffnung.
Gemäß vorstehender Beschreibung ermöglicht der Gassensor 10A gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel eine Vermeidung des Einflusses des Pulsierens des in dem Messgas erzeugten Abgasdrucks. Somit ist eine Verbesserung der auf der Messpumpzelle 64 erhaltenen Messgenauigkeit möglich.
Nachstehend erfolgt eine Beschreibung unter Bezugnahme auf die 13A bis 30 für mehrere abgewandelte Ausführungsbeispiele des Gassensors 10A gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei die abgewandelten Ausführungsbeispiele grundsätzlich die Form des ersten Diffusionsratenbestimmungsabschnitts 26 und des zweiten Diffusionsratenbestimmungsabschnitts 28 betreffen. Bei den 13A bis 30 ist das elektrische Schaltungssystem aus der Darstellung weggelassen, um eine komplizierte Zeichnung zu vermeiden. Die Bestandteile oder Teile, welche denen aus 1 entsprechen, sind durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet, und sie sind nicht erneut beschrieben.
Zunächst unterscheidet sich gemäß den 13A, 13B und 14 ein Gassensor 10A gemäß dem (nicht beanspruchten) ersten abgewandelten Ausführungsbeispiel dahingehend, dass der erste und der zweite Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 26, 28 jeweils durch einen einzelnen sich lateral erstreckenden Schlitz 110, 112 ausgebildet sind.
Im Einzelnen beinhaltet der erste Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 26 den Schlitz 110 mit einer an einem vorderen Endabschnitt der zweiten Abstandsschicht 12e ausgebildeten lateral erstreckten Öffnung zur Kontaktausbildung mit der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 12d, wobei die Öffnung so ausgebildet ist, dass sie sich mit einer identischen Öffnungsbreite bis zu der ersten Kammer 18 hin erstreckt. Der zweite Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 28 beinhaltet den Schlitz 112 mit einer an einem abschließenden Endabschnitt der ersten Kammer 18 der zweiten Abstandsschicht 12e ausgebildeten Öffnung zur Kontaktausbildung mit der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 12d, wobei die Öffnung so ausgebildet ist, dass sie sich mit einer identischen Öffnungsbreite bis zu der zweiten Kammer 20 hin erstreckt. Bei dem ersten abgewandelten Ausführungsbeispiel weist jeder der Schlitze 110, 112 ungefähr dieselbe Querschnittskonfiguration auf, bei der die Länge ta in vertikaler Richtung nicht mehr als 10 μm beträgt, und die Länge tb in lateraler Richtung etwa 2 mm beträgt.
Sodann unterscheidet sich gemäß den 15A, 15B und 16 ein Gassensor 10Ab gemäß dem (nicht beanspruchten) zweiten abgewandelten Ausführungsbeispiel dahingehend, dass der erste und der zweite Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 26, 28 jeweils durch einzelne lateral erstreckte keilförmige Schlitze 114, 116 ausgebildet ist.
Im Einzelnen beinhaltet der erste Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 26 den keilförmigen Schlitz 114 mit einer an einem vorderen Endabschnitt der zweiten Abstandsschicht 12e ausgebildeten lateral erstreckten Öffnung zur Kontaktausbildung mit der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 12d, wobei die Öffnung so ausgebildet ist, dass sie sich mit einer zu der ersten Kammer 18 hin graduell vergrößerten Öffnungsbreite (Breite in vertikaler Richtung) erstreckt. Der zweite Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 28 beinhaltet den keilförmigen Schlitz 116 mit einer an einem abschließenden Endabschnitt der ersten Kammer 18 der zweiten Abstandsschicht 12e ausgebildeten lateral erstreckten Öffnung zur Kontaktausbildung mit der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 12d, wobei die Öffnung so ausgebildet ist, dass sie sich mit einer zu der zweiten Kammer 20 hin graduell vergrößerten Öffnungsbreite erstreckt.
Bei dem zweiten abgewandelten Ausführungsbeispiel weist die minimale Öffnung am vorderen Ende jedes der keilförmigen Schlitze 114, 116 ungefähr dieselbe Querschnittskonfiguration auf, bei der die Länge ta in vertikaler Richtung nicht mehr als 10 μm beträgt, und die Länge tb in lateraler Richtung etwa 2 mm beträgt.
Weiterhin unterscheidet sich gemäß den 17A, 17B und 18 ein Gassensor 10Ac gemäß dem (nicht beanspruchten) dritten abgewandelten Ausführungsbeispiel dahingehend, dass der erste Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 26 durch drei lateral erstreckte Schlitze 118a, 118b, 118c ausgebildet ist, welche parallel zueinander angeordnet sind, und der zweite Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 28 ist durch einen einzelnen lateral erstreckten Schlitz 120 ausgebildet.
Im Einzelnen beinhaltet der erste Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 26 die drei Schlitze 118a, 118b, 118c mit drei parallel zueinander an vorderen Endabschnitten der zweiten Abstandsschicht 12e lateral erstreckten Öffnungen zur Kontaktausbildung mit der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 12d, wobei jede der Öffnungen so ausgebildet ist, dass sie sich mit einer identischen Öffnungsbreite bis zu der ersten Kammer 18 hoch erstreckt. Der zweite Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 28 beinhaltet den einzelnen Schlitz 120 mit einer an einem abschließenden Endabschnitt der ersten Kammer 18 der zweiten Abstandsschicht 12e ausgebildeten einzelnen lateral erstreckten Öffnung zur Kontaktausbildung mit der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 12d, wobei die Öffnung so ausgebildet ist, dass sie sich mit einer identischen Öffnungsbreite bis hoch zur zweiten Kammer 20 erstreckt. Bei dem dritten abgewandelten Ausführungsbeispiel weist jeder der Schlitze 118a, 118b, 118c, 120 eine Länge ta in vertikaler Richtung auf, die nicht mehr als 10 μm beträgt.
Weiterhin unterscheidet sich gemäß den 19A, 19B und 20 ein Gassensor 10Ad gemäß dem erfindungsgemäßen vierten abgewandelten Ausführungsbeispiel dahingehend, dass ein Raumabschnitt 112 und ein Pufferraum 124 zwischen der Gaseinlassöffnung 22 und dem ersten Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 26 in Reihe bereitgestellt sind, wobei eine vordere Öffnung des Raumabschnitts 122 die Gaseinlassöffnung 22 bildet, und ein vierter Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 126 zur Bereitstellung eines vorbestimmten Diffusionswiderstandes gegenüber dem Messgas zwischen dem Raumabschnitt 122 und dem Pufferraum 124 bereitgestellt ist.
Sowohl der erste Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 26 als auch der zweite Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 28 ist durch zwei lateral erstreckte Schlitze 30, 32, 34, 36 auf dieselbe Weise wie bei dem Gassensor 10A gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ausgebildet.
Der vierte Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 126 beinhaltet einen Schlitz 128 mit einer an einem abschließenden Endabschnitt des Raumabschnitts 122 der zweiten Abstandsschicht 12e ausgebildeten lateral erstreckten Öffnung zur Kontaktausbildung mit der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 12f, wobei die Öffnung so ausgebildet ist, dass sie sich mit einer identischen Öffnungsbreite bis zu dem Pufferraum 124 hin erstreckt. Der vierte Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 126 beinhaltet ferner einen Schlitz 130 mit einer an einem abschließenden Endabschnitt des Raumabschnitts 122 der zweiten Abstandsschicht 12e ausgebildeten lateral erstreckten Öffnung zur Kontaktausbildung mit der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 12e, wobei die Öffnung so ausgebildet ist, dass sie sich mit einer identischen Öffnungsbreite bis zu dem Pufferraum 124 hoch erstreckt.
Ferner unterscheidet sich gemäß den 21A, 21B und 22 ein Gassensor 10Ae gemäß dem (nicht beanspruchten) fünften abgewandelten Ausführungsbeispiel dahingehend, dass sowohl der erste als auch der zweite Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 26, 28 durch einen einzelnen vertikal erstreckten Schlitz 132, 134 ausgebildet ist.
Im Einzelnen beinhaltet der erste Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 26 den Schlitz 132 mit einer an einem vorderen Endabschnitt der zweiten Abstandsschicht 12e ungefähr in der Mitte ihrer Breitendimension ausgebildete vertikal erstreckte Öffnung, wobei die Öffnung so ausgebildet ist, dass sie sich mit einer identischen Öffnungsbreite bis zu der ersten Kammer 18 hin erstreckt. Der zweite Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 28 beinhaltet den Schlitz 134 mit einer an einem abschließenden Endabschnitt der ersten Kammer 18 der zweiten Abstandsschicht 12e ungefähr in der Mitte ihrer Breitendimension ausgebildeten vertikal erstreckten Öffnung, wobei die Öffnung so ausgebildet ist, dass sie sich mit einer identischen Öffnungsbreite bis zu der zweiten Kammer 20 hin erstreckt. Bei dem fünften abgewandelten Ausführungsbeispiel weist jeder der Schlitze 132, 134 ungefähr dieselbe Querschnittskonfiguration auf, wobei die Länge tc in vertikaler Richtung dieselbe wie die Dicke der zweiten Abstandsschicht 12e ist, und die Länge td in lateraler Richtung nicht mehr als 10 μm beträgt.
Weiterhin unterscheidet sich gemäß den 23A, 23B und 24 ein Gassensor 10Af gemäß dem (nicht beanspruchten) sechsten abgewandelten Ausführungsbeispiel dahingehend, dass der erste und der zweite Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 26, 28 durch einzelne vertikal erstreckte keilförmige Schlitze 136 bzw. 138 ausgebildet sind.
Im Einzelnen beinhaltet der erste Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 26 den keilförmigen Schlitz 136 mit einer an einem vorderen Endabschnitt der zweiten Abstandsschicht 12e ungefähr in der Mitte seiner Breitendimension ausgebildeten vertikal erstreckten Öffnung, wobei die Öffnung so ausgebildet ist, dass sie mit einer zu der ersten Kammer hin graduell vergrößerten Öffnungsbreite (Breite in lateraler Richtung) erstreckt ist. Der zweite Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 28 beinhaltet den keilförmigen Schlitz 138 mit einer an einem abschließenden Endabschnitt der ersten Kammer 18 der ersten Abstandsschicht 12e ungefähr in der Mitte ihrer Breitendimension ausgebildeten vertikal erstreckten Öffnung, wobei die Öffnung so ausgebildet ist, dass sie mit einer zu der zweiten Kammer 20 hin graduell vergrößerten Öffnungsbreite (Breite in lateraler Richtung) erstreckt ist.
Bei dem sechsten abgewandelten Ausführungsbeispiel weist die minimale Öffnung am vorderen Ende jedes der keilförmigen Schlitze 136, 138 ungefähr dieselbe Querschnittskonfiguration auf, bei der die Länge tc in vertikaler Richtung dieselbe wie die Dicke der zweiten Abstandsschicht 12e ist, und die Länge td in lateraler Richtung nicht mehr als 10 μm beträgt.
Weiterhin unterscheidet sich gemäß den 25A, 25B und 26 ein Gassensor 10Ag gemäß dem (nicht beanspruchten) siebten abgewandelten Ausführungsbeispiel dahingehend, dass der erste Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 26 durch einen Schlitz 140 mit einer im Wesentlichen stundenglasförmigen ebenen Konfiguration ausgebildet ist, und der zweite Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 28 durch einen einzelnen vertikal erstreckten Schlitz 142 ausgebildet ist.
Im Einzelnen beinhaltet der erste Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 26 den im Wesentlichen uhrenglasförmigen Schlitz 140, der von einer an einem vorderen Endabschnitt der zweiten Abstandsschicht 12e ausgebildeten lateral erstreckten Öffnung beginnt, wobei die Öffnungsbreite (Breite in lateraler Richtung) der Öffnung bis ungefähr zur Mitte des ersten Diffusionsratenbestimmungsabschnitts 26 in Tiefenrichtung zur Ausbildung eines vertikal erstreckten Schlitzes 144 graduell abnimmt, wobei die Öffnungsbreite (Breite in lateraler Richtung) des Schlitzes 144 zu der ersten Kammer 18 zur Ausbildung des im Wesentlichen stundenglasförmigen Schlitzes 140 graduell zunimmt.
Andererseits beinhaltet der zweite Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 28 den Schlitz 142 mit einer an einem abschließenden Endabschnitt der ersten Kammer 18 der zweiten Abstandsschicht 12e ungefähr in der Mitte ihrer Breitendimension ausgebildeten vertikal erstreckten Öffnung, wobei die Öffnung so ausgebildet ist, dass sie sich mit identischer Öffnungsbreite bis zu der zweiten Kammer 20 hin erstreckt.
Bei dem siebten abgewandelten Ausführungsbeispiel weist die minimale Öffnung (Schlitz 144) des stundenglasförmigen Schlitzes 140 zum Aufbauen des ersten Diffusionsratenbestimmungsabschnitts 26 ungefähr dieselbe Querschnittskonfiguration wie die des Schlitzes 142 zum Aufbauen des zweiten Diffusionsratenbestimmungsabschnitts 28 auf, wobei die Länge tc in vertikaler Richtung dieselbe wie die Dicke der zweiten Abstandsschicht 12e ist, und die Länge td in lateraler Richtung nicht mehr als 10 μm beträgt.
Weiterhin unterscheidet sich gemäß den 27A, 27B und 28 ein Gassensor 10Ah gemäß dem (nicht beanspruchten) achten abgewandelten Ausführungsbeispiel dahingehend, dass der erste Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 26 durch fünf vertikal erstreckte Schlitze 146a bis 146e ausgebildet ist, die parallel zueinander angeordnet sind, und der zweite Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 28 durch einen einzelnen vertikal erstreckten Schlitz 148 ausgebildet ist.
Im Einzelnen beinhaltet der erste Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 26 die fünf Schlitze 146a bis 146e mit parallel zueinander an abschließenden Endabschnitten der zweiten Abstandsschicht 12e ausgebildeten fünf vertikal erstreckten Öffnungen, wobei jede der Öffnungen so ausgebildet ist, dass sie mit einer identischen Öffnungsbreite bis zu der ersten Kammer 18 hin erstreckt ist. Der zweite Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 28 beinhaltet den einzelnen Schlitz 148 mit einer an einem abschließenden Endabschnitt der ersten Kammer 18 der zweiten Abstandsschicht 12e ungefähr in der Mitte seiner Breitendimension ausgebildeten vertikal erstreckten Öffnung, wobei die Öffnung so ausgebildet ist, dass sie sich mit einer identischen Öffnungsbreite bis zu der zweiten Kammer 20 hin erstreckt. Bei dem achten abgewandelten Ausführungsbeispiel beträgt die Länge td in lateraler Richtung jedes der Schlitze 146a bis 146e, 148 nicht mehr als 10 μm.
Weiterhin unterscheidet sich gemäß den 29A, 29B und 30 ein Gassensor 10Ai gemäß dem erfindungsgemäßen neunten abgewandelten Ausführungsbeispiel dahingehend, dass ein Raumabschnitt 122 und ein Pufferraum 124 zwischen der Gaseinlassöffnung 22 und dem ersten Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 26 in Reihe bereitgestellt sind, wobei eine vordere Öffnung des Raumabschnitts 122 die Gaseinlassöffnung 22 bildet, und ein vierter Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 126 zur Bereitstellung eines vorbestimmten Diffusionswiderstands gegenüber dem Messgas zwischen dem Raumabschnitt 122 und dem Pufferraum 124 bereitgestellt ist.
Sowohl der erste Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 26 als auch der zweite Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 28 ist auf dieselbe Weise wie bei dem Gassensor 10Ae gemäß dem fünften abgewandelten Ausführungsbeispiel (vergleiche 21A, 21B und 22) durch einen einzelnen lateral erstreckten Schlitz 132, 134 ausgebildet.
Der vierte Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 126 beinhaltet einen Schlitz 125 mit einer an einem abschließenden Endabschnitt des Raumabschnitts 122 der zweiten Abstandsschicht 12e ungefähr in der Mitte ihrer Breitendimension ausgebildeten vertikal erstreckten Öffnung, wobei die Öffnung so ausgebildet ist, dass sie mit einer identischen Öffnungsbreite bis zu dem Pufferraum 124 erstreckt ist.
Die Gassensoren 10Aa bis 10Ai gemäß dem ersten bis neunten abgewandelten Ausführungsbeispiel ermöglichen eine Vermeidung des Einflusses des Pulsierens des in dem Messgas erzeugten Abgasdrucks auf dieselbe Weise wie bei dem Gassensor 10A gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Somit ist eine Verbesserung der auf der Messpumpzelle 64 erhaltenen Messgenauigkeit möglich.
Insbesondere die Gassensoren 10Ad und 10Ai gemäß dem vierten und neunten abgewandelten Ausführungsbeispiel beinhalten den stromaufwärts des ersten Diffusionsratenbestimmungsabschnitts 26 bereitgestellten Pufferraum 129. Üblicherweise dringt der Sauerstoff plötzlich in das Sensorelement 14 über die Gaseinlassöffnung 22 aufgrund des Pulsierens des Abgasdrucks im äußeren Raum ein. Bei dieser Anordnung dringt jedoch der Sauerstoff vom äußeren Raum nicht unmittelbar in den Verarbeitungsraum ein, sondern er dringt in den stromaufwärts davon angeordneten Pufferraum 124 ein. Der plötzlichen Änderung in der Sauerstoffkonzentration, die durch das Pulsieren des Abgasdrucks verursacht ist, wird mit anderen Worten durch den Pufferraum 124 entgegengewirkt. Somit hält sich der Einfluss des Pulsierens des Abgasdrucks auf die erste Kammer 18 in einem nahezu vernachlässigbaren Ausmaß.
Folglich wird die Korrelation zwischen der durch die Hauptpumpzelle 44 für die erste Kammer 18 bewirkten Sauerstoffpumpmenge und der Sauerstoffkonzentration im Messgas verbessert. Es ist möglich, die durch die Messpumpzelle 64 erhaltene Messgenauigkeit zu verbessern. Gleichzeitig ist es beispielsweise möglich, die erste Kammer 18 als Sensor zum Bestimmen des Luft/Brennstoff-Verhältnisses zu verwenden.
Die Gassensoren 10Ad und 10Ai gemäß dem vorstehend beschriebenen vierten und neunten abgewandelten Ausführungsbeispiel beinhalten den Raumabschnitt 122 und den Pufferraum 124, die zwischen der Gaseinlassöffnung 22 und dem ersten Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 26 in Reihe bereitgestellt sind, und die vordere Öffnung des Raumabschnitts 122 wird zum Ausbilden der Gaseinlassöffnung 22 verwendet. Der Raumabschnitt 122 wirkt als Verstopfungsvorbeugungsabschnitt zur Vermeidung der Verstopfung mit Teilchen (wie beispielsweise Ruß und Ölverbrennungsrückstände), die in dem Messgas im äußeren Raum erzeugt werden, was andernfalls in der Umgebung des Einlasses des Pufferraums 124 verursacht würde. Demzufolge ist es möglich, den NOx-Bestandteil unter Verwendung der Messpumpzelle 64 genauer zu messen. Ferner ist es möglich, einen hochgenauen Zustand über eine lange Zeitdauer zu bewahren.
Der Gassensor 10A gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel und die Gassensoren 10Aa bis 10Ad gemäß den vorstehend beschriebenen ersten bis vierten abgewandelten Ausführungsbeispielen weisen einen ersten und einen zweiten Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 26, 28 auf, der jeweils durch einen lateral erstreckten Schlitz aufgebaut ist. Die Gassensoren 10Ae bis 10Ai gemäß dem fünften bis neunten abgewandelten Ausführungsbeispiel weisen einen ersten und eine zweiten Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 26, 28 auf, der jeweils durch einen vertikal erstreckten Schlitz aufgebaut ist. Der erste Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 26 kann jedoch beispielsweise durch einen lateral erstreckten Schlitz aufgebaut sein, und der zweite Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 28 kann durch einen vertikal erstreckten Schlitz aufgebaut sein. Alternativ ist es ebenso erlaubt, eine Anordnung anzuwenden, bei der der erste und der zweite Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 26, 28 in umgekehrter Weise bezüglich der vorstehenden Beschreibung aufgebaut sind.
Nachstehend ist ein Gassensor 10B gemäß dem (als solches nicht beanspruchten) zweiten Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf 31 beschrieben. Bestandteile oder Teile, die jenen aus 2 entsprechen, sind durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet, und eine wiederholte Beschreibung erfolgt nicht.
Gemäß 31 ist der Gassensor 10B gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ungefähr auf dieselbe Weise wie der Gassensor 10A gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel (vergleiche 2) aufgebaut. Der Erstgenannte unterscheidet sich jedoch von dem Letztgenannten dahingehend, dass eine messende Sauerstoffpartialdruckerfassungszelle 160 anstelle der Messpumpzelle 64 bereitgestellt ist.
Die messende Sauerstoffpartialdruckerfassungszelle 160 umfasst eine auf einem oberen Oberflächenabschnitt zur Ausbildung der zweiten Kammer 20 der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 12d ausgebildete Erfassungselektrode 162, die auf der unteren Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 12d ausgebildete Referenzelektrode 48, und die zwischen den beiden Elektroden 162, 48 zwischengelagerte erste Festelektrolytschicht 12d.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird eine elektromotorische Kraft (elektromotorische Kraft einer Sauerstoffkonzentrationszelle) V2 entsprechend der Differenz in der Sauerstoffkonzentration zwischen der Atmosphäre um die Erfassungselektrode 162 und der Atmosphäre um die Referenzelektrode 48 zwischen der Referenzelektrode 48 und der Erfassungselektrode 162 der messenden Sauerstoffpartialdruckerfassungszelle 160 erzeugt.
Daher wird der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre um die Erfassungselektrode 162, mit anderen Worten der Sauerstoffpartialdruck, der durch Sauerstoff definiert ist, der durch Reduktion oder Zersetzung des Messgasbestandteils (NOx) erzeugt wird, als ein Spannungswert V2 durch Messen der zwischen der Erfassungselektrode 162 und der Referenzelektrode 48 erzeugten elektromotorischen Kraft (Spannung) V2 unter Verwendung eines Voltmeters 164 erfasst.
Auch bei dem Gassensor 10B gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel wird das Pulsieren (= der dynamische Druck) des Abgasdrucks durch den Wandwiderstand des ersten Diffusionsratenbestimmungsabschnitts 26 gedämpft. Daher ist es möglich, das Verschiebungsphänomen der Sensorausgabe (der unter Verwendung der Messpumpzelle erhaltene Pumpstromwert) effektiv zu unterdrücken, das andernfalls durch die Fluktuation des dynamischen Drucks verursacht würde. Folglich ist es möglich, den Einfluss des Pulsierens des Abgasdrucks, der in dem Messgas erzeugt wird, zu vermeiden. Es ist möglich, die Messgenauigkeit bezüglich der messenden Sauerstoffpartialdruckerfassungszelle 160 zu verbessern.
Die Anordnungen der Gassensoren 10Aa bis 10Ai gemäß dem ersten bis neunten abgewandelten Ausführungsbeispiel können ebenfalls auf den Gassensor 10B gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel angewendet werden.
Die Gassensoren 10A und 10B gemäß dem vorstehend beschriebenen ersten und zweiten Ausführungsbeispiel (einschließlich der jeweiligen abgewandelten Ausführungsbeispiele) richten sich auf Sauerstoff und NOx als den zu messenden Messgasbestandteil. Die Erfindung ist jedoch außer NOx ebenso effektiv anwendbar auf die Messung von Gasbestandteilen, die gebundenen Sauerstoff enthalten, wie etwa H₂O und CO₂, wobei die Messung durch in dem Messgas existierenden Sauerstoff beeinflusst wird.
Die Erfindung ist beispielsweise ebenso auf Gassensoren anwendbar, die aufgebaut sind, um durch eine Elektrolyse von CO₂ oder H₂O unter Verwendung der Sauerstoffpumpe erzeugtes O₂ heraus zu pumpen, sowie auf Gassensoren, bei denen durch eine Elektrolyse von H₂O erzeugtes H₂ unter Verwendung eines Protonenionen leitenden Festelektrolyts pumpend verarbeitet wird.
Selbstverständlich sind der Gassensor und der Stickoxidsensor gemäß der Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, die in andere vielfältige Formen verkörpert werden können, ohne vom Hauptpunkt oder den wesentlichen Eigenschaften der Erfindung abzuweichen.
Gemäß vorstehender Beschreibung ist es mit dem erfindungsgemäßen Gassensor sowie dem erfindungsgemäßen Stickoxidsensor möglich, den Einfluss des Pulsierens des Abgasdrucks, das in dem Messgas erzeugt wird, zu vermeiden, und eine Verbesserung der auf der Erfassungselektrode erhaltenen Messgenauigkeit ist möglich.
So ist vorstehend ein Gassensor und ein Stickoxidsensor offenbart, die jeweils einen ersten Diffusionsratenbestimmungsabschnitt (26) zur Bereitstellung eines vorbestimmten Diffusionswiderstands gegenüber einem in eine erste Kammer (18) einzuführenden Messgas umfassen, wobei der erste Diffusionsratenbestimmungsabschnitt (26) mit einem Schlitz (30) mit einer an einem vorderen Endabschnitt einer zweiten Abstandsschicht (12e) zur Kontaktausbildung mit der unteren Oberfläche einer zweiten Festelektrolytschicht (12f) ausgebildeten lateral erstreckten Öffnung, wobei die Öffnung so ausgebildet ist, dass sie mit einer identischen Öffnungsbreite bis zu der ersten Kammer (18) erstreckt ist, sowie einem Schlitz (32) mit einer an einem vorderen Endabschnitt der zweiten Abstandsschicht (12e) zur Kontaktausbildung mit der oberen Oberfläche einer ersten Festelektrolytschicht (12d) ausgebildeten lateral erstreckten Öffnung ausgebildet ist, wobei die Öffnung so ausgebildet ist, dass sie mit einer identischen Öffnungsbreite bis zu der ersten Kammer (18) erstreckt ist. Die Schlitze (30, 32) weisen eine im Wesentlichen identische Querschnittskonfiguration auf, wobei die Länge in vertikaler Richtung nicht mehr als 10 μm beträgt, und die Länge in lateraler Richtung etwa 2 mm beträgt. Folglich ist es möglich, den Einfluss des Pulsierens des Abgasdrucks zu vermeiden, der im Messgas erzeugt wird, und es ist möglich, die auf der Erfassungselektrode erhaltene Messgenauigkeit zu verbessern.

Claims

Gassensor zum Messen der Menge eines Messgasbestandteils, der in einem Messgas enthalten ist, welches in einem äußeren Raum vorhanden ist, wobei der Gassensor zumindest umfasst: ein Substrat (12a–12f), das aus einem Festkörperelektrolyt zusammengesetzt ist und in Kontakt mit dem äußeren Raum steht; einen inneren Raum (18), der an der Innenseite des Substrates (12a–12f) ausgebildet ist; eine Gaseinlassöffnung (22) zum Einlassen von Messgas aus dem äußeren Raum in den inneren Raum (18); eine Diffusionsratenbestimmungsschlitzpassage (26, 30, 32) zum Einlassen von Messgas aus dem äußeren Raum in den inneren Raum (18) über die Gaseinlassöffnung (22) unter einem vorbestimmten Diffusionswiderstand; einen Pufferraum (124), der keine Elektroden enthält, und der zwischen der Gaseinlassöffnung (22) und der Schlitzpassage (26) bereitgestellt ist, wobei der Pufferraum (124) und der innere Raum (18) jeweils eine Querschnittsfläche im Wesentlichen senkrecht zu einer Längserstreckungsachse des Substrates (12a–12f) aufweisen, wobei der Querschnitt des Pufferraums (124) und des inneren Raums (18) jeweils größer als der der Schlitzpassage ist; und eine Pumpeinrichtung (44) mit einer inneren Pumpelektrode (40) und einer äußeren Pumpelektrode (42), die innerhalb bzw. außerhalb des inneren Raums (18) ausgebildet sind, um den Sauerstoff, der in dem von dem äußeren Raum eingelassenen Messgas enthalten ist, auf der Grundlage einer zwischen den Elektroden angelegten Steuerspannung (Vp1) pumpend zu verarbeiten, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitzpassage (26) in einer Ebene im Wesentlichen senkrecht zu einer Längserstreckungsachse des Substrates (12a–12f) zwei Dimensionen aufweist, und zumindest eine Dimension nicht größer als 10 μm ist.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei: ein Verstopfungsvorbeugungsabschnitt (122) und der Pufferraum (124) zwischen der Gaseinlassöffnung (22) und dem inneren Raum (18) in Reihe angeordnet sind; eine Vorderöffnung des Verstopfungsvorbeugungsabschnitt (122) zur Ausbildung der Gaseinlassöffnung (22) verwendet wird; und ein weiterer Diffusionsratenbestimmungsabschnitt (126, 128, 130) für die Zuordnung eines vorbestimmten Diffusionswiderstandes an das Messgas zwischen dem Verstopfungsvorbeugungsabschnitt (122) und dem Pufferraum (124) bereitgestellt ist.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei der Sauerstoff, der in dem von dem äußeren Raum in den inneren Raum (18) eingelassenen Messgas enthalten ist, unter Verwendung der Pumpeinrichtung (44) zur Steuerung pumpend verarbeitet wird, so dass ein Sauerstoffpartialdruck in dem inneren Raum (18) einen vorbestimmten Wert aufweist, bei dem ein vorbestimmter Gasbestandteil in dem Messgas nicht zersetzbar ist.
Gassensor nach Anspruch 3, ferner mit: einer messenden Pumpeinrichtung (64) zum Zersetzen des in dem Messgas enthaltenen vorbestimmten Gasbestandteils nach einer pumpenden Verarbeitung durch die Pumpeinrichtung (44) mittels einer katalytischen Wirkung und/oder Elektrolyse, und zum pumpenden Verarbeiten von durch die Zersetzung erzeugtem Sauerstoff, wobei: der in dem Messgas enthaltene vorbestimmte Gasbestandteil auf der Grundlage eines Pumpstroms (Ip2) gemessen wird, der durch die messende Pumpeinrichtung (64) gemäß dem durch die messende Pumpeinrichtung (64) bewirkten Pumpvorgang fließt.
Gassensor nach Anspruch 3, ferner mit: einer Sauerstoffpartialdruckerfassungseinrichtung (160) zum Zersetzen des in dem Messgas nach einer pumpenden Verarbeitung durch die Pumpeinrichtung (44) enthaltenen vorbestimmten Gasbestandteils mittels einer katalytischen Wirkung, und zum Erzeugen einer elektromotorischen Kraft (V2) entsprechend einer Differenz zwischen einer durch die Zersetzung erzeugten Sauerstoffmenge und einer in einem Referenzgas enthaltenen Sauerstoffmenge, wobei: der in dem Messgas enthaltene vorbestimmte Gasbestandteil auf der Grundlage der durch die Sauerstoffpartialdruckerfassungseinrichtung (160) erfassten elektromotorischen Kraft (V2) gemessen wird.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei das Substrat (12a–12f) im Wesentlichen eben ist, und die zumindest eine Dimension der Schlitzpassage sich hauptsächlich senkrecht zu der Ebene des Substrates erstreckt.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei das Substrat (12a–12f) im Wesentlichen eben ist, und die zumindest eine Dimension der Schlitzpassage sich hauptsächlich in der Ebene des Substrates (12a–12f) erstreckt.
Gassensor nach Anspruch 1, der als ein Stickoxidsensor zum Messen einer Menge eines Stickoxidbestandteils eingerichtet ist, die in einem in einem äußeren Raum vorhandenen Messgas enthalten ist, wobei der Festkörperelektrolyt ein Sauerstoffionen leitender Festkörperelektrolyt ist, und die Pumpeinrichtung (44) so konfiguriert ist, dass ein Sauerstoffpartialdruck in dem ersten inneren Raum (18) auf einen vorbestimmten Wert gesteuert ist, bei dem NO im Wesentlichen nicht zersetzbar ist; der Stickoxidsensor umfasst dabei ferner: einen zweiten inneren Raum, der mit dem ersten inneren Raum kommuniziert; eine zweite Diffusionsratenbestimmungsschlitzpassage (28) zum Einlass einer in dem ersten inneren Raum pumpend verarbeitenden Atmosphäre in den zweiten inneren Raum unter einem vorbestimmten Diffusionswiderstand; und eine messende Pumpeinrichtung (64) mit einer zweiten inneren Pumpelektrode (70) und einer zweiten äußeren Pumpelektrode (48), die innerhalb bzw. außerhalb des zweiten inneren Raums ausgebildet sind, um NO, das in der Atmosphäre enthalten ist, die von dem inneren Raum eingelassen ist, mittels einer katalytischen Wirkung und/oder Elektrolyse zu zersetzen, um den durch die Zersetzung erzeugten Sauerstoff pumpend zu verarbeiten, wobei der Stickoxidsensor so eingerichtet ist, dass die in dem Messgas enthaltene Stickoxidmenge auf der Grundlage eines Pumpstroms (Ip2) gemessen wird, der durch die messende Pumpeinrichtung (64) gemäß dem durch die messende Pumpeinrichtung (64) bewirkten Pumpvorgang fließt.
Gassensor nach Anspruch 1, der als ein Stickoxidsensor zum Messen einer Menge eines Stickoxidbestandteils eingerichtet ist, die in einem in einem äußeren Raum vorliegenden Messgas enthalten ist, wobei der Festkörperelektrolyt ein Sauerstoffionen leitender Festkörperelektrolyt ist, und die Pumpeinrichtung so eingerichtet ist, dass ein Sauerstoffpartialdruck in dem ersten inneren Raum auf einen vorbestimmten Wert gesteuert wird, bei dem NO im Wesentlichen nicht zersetzbar ist; der Stickoxidsensor umfasst dabei zumindest: einen zweiten inneren Raum (20), der mit dem inneren Raum kommuniziert; eine zweite Diffusionsratenbestimmungsschlitzpassage (28) zum Einlassen einer in dem inneren Raum pumpend verarbeiteten Atmosphäre in den zweiten inneren Raum unter einem vorbestimmten Diffusionswiderstands; und eine Sauerstoffpartialdruckerfassungseinrichtung (160) mit einer inneren Messelektrode (162) und einer äußeren Messelektrode (48), die innerhalb bzw. außerhalb des zweiten inneren Raums ausgebildet sind, um NO, das in der von dem inneren Raum eingelassenen Atmosphäre enthalten ist, mittels einer katalytischen Wirkung zu zersetzen, um eine elektromotorische Kraft (V2) entsprechend einer Differenz zwischen einer durch die Zersetzung erzeugten Sauerstoffmenge und einer in einem Referenzgas enthaltenen Sauerstoffmenge zu erzeugen, wobei der Stickoxidsensor so eingerichtet ist, dass die in dem Messgas enthaltene Stickstoffmenge auf der Grundlage der durch die Sauerstoffpartialdruckerfassungseinrichtung erfassten elektromotorischen Kraft gemessen wird.